Как в осциллографе происходит фокусировка электронного пучка

4.2 Устройство осциллографа

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) — является основным блоком осциллографа, предназначена для образования и фокусировки электронного луча и преобразования электрического сигнала в видимый сигнал на экране, электронно-лучевая трубка определяет принцип действия, параметры и возможности применения осциллографа в целом. Она представляет собой прибор, в котором под действием электронной бомбардировки люминофорного экрана движущимся сфокусированным электронным лучом происходит преобразование электрических сигналов в видимое световое изображение. Электронно-лучевая трубка широко применяется в различных областях техники (телевидение, дисплеи ЭВМ). Существуют трубки с электростатическим или с электромагнитным управлением. В первом случае для отклонения электронного луча используется электрическое поле, во втором случае — магнитное поле. Фокусировка луча также бывает электростатической или электромагнитной. В данной работе изучается осциллограф с электростатической электронно-лучевой трубкой.

В общем случае осциллографическая трубка состоит из стеклянного баллона конической формы, в котором создано высокое разрежение — до состояния технического вакуума, электронно-оптической системы, фокусирующей электронный луч, системы отклонения луча и люминофорного экрана, на котором создается световое изображение исследуемого сигнала.

4.2.2 Электронно-оптическая система

Электронный луч в осциллографической трубке формируется электронно-оптической системой (ЭОС), или прожектором. Электронно-оптическая система обеспечивает необходимую фокусировку электронного луча и позволяет изменять ток луча от нуля до некоторого допустимого значения и яркость свечения экрана.

В общем случае ЭОС осциллографической трубки с электростатической фокусировкой состоит из катода и системы электродов, образующих электростатические поля, формирующие, фокусирующие и ускоряющие электронный луч. Электроны излучаются подогревным катодом 2 (см. Рисунок 1) . Катод нагревается до рабочей температуры с помощью нагревательного элемента 1 , расположенного внутри катода и изолированного от него с помощью теплопроводящего керамического слоя. Катод окружен цилиндром 3 с маленьким отверстием в центре. Этот внешний цилиндр называется управляющей сеткой (управляющим электродом или модулятором). Отверстие в центре значительно меньше, чем излучающая поверхность катода и пространство между отверстием и излучающей поверхностью мало. Модулятору сообщается отрицательный (относительно катода) потенциал в пределах от нуля до нескольких десятков вольт. Интенсивность электронного пучка, а, следовательно, яркость изображения на экране можно регулировать, меняя эту разность потенциалов. За первой управляющей сеткой располагается вторая сетка 4 . Электроны, прошедшие через отверстие в первой сетке, ускоряются электрическим полем, благодаря тому, что вторая сетка имеет более высокий потенциал относительно катода. Вторая сетка внутренне соединена со вторым анодом. Рядом со второй сеткой находится первый (фокусирующий) анод 5. Первый анод имеет положительный потенциал порядка 300-1000В. За первым анодом находится второй или ускоряющий анод 6. Он коаксиален по отношению к первому аноду, а его потенциал доходит до 5000В. В поле этого электрода электроны приобретают необходимую скорость. Продолжением второго анода является проводящее графитовое покрытие — аквадаг-7, на внутренней поверхности баллона трубки, простирающееся до экрана. Электронный прожектор (пушка) получает питание от высоковольтного выпрямителя, обеспечивающего разность потенциалов между катодом и вторым анодом 1-1,5 кВ, в зависимости от типа трубки. Это напряжение подается на ряд последовательно соединенных резисторов (потенциометров) R1,R2,R3,R4. Таким образом обеспечивается возможности регулирования потенциалов отдельных частей пушки. Например, с помощью потенциометра R1 можно регулировать яркость пятна, с помощью потенциометра R3-осуществлять фокусировку.

Катод имеет форму цилиндра, закрытого с одной стороны маленькой пластинкой (Рисунок 2). Эта пластинка покрывается специальным эмиссирующим составом. Плотность тока эмиссии катода связана с его температурой соотношением Ричардсона-Дешмена

где А — постоянная для данного катода величина; k-постоянная Больцмана; W – работа выхода электронов для материала катода.

Из выражения следует, что для получения больших токов нужно повышать температуру катода или подбирать материал с малой работой выхода. В современных осциллографических трубках получают значительный ток эмиссии при не очень высоких температурах (около 800С), уменьшая работу выхода. Для этого подвергают катод оксидной обработке, заключающейся в покрытии его слоем щелочноземельных металлов. Изготавливается катод, как правило, из тугоплавких металлов (например, никеля). Внутри цилиндра помещается вольфрамовая нить, свернутая в двойную спираль.

Принцип действия ЭОС можно рассмотреть на примере двухлинзового прожектора. Примерный характер электронных траекторий показан на рисунке 3.

Первая линза образуется катодом, модулятором и первым анодом. Рассмотрим подробнее фокусирующее действие электростатического поля между модулятором и первым анодом. Сечение этих электродов плоскостью, проходящей через ось цилиндров, показано на рисунке 4. Тонкими сплошными линиями показаны следы сечений линий напряженности электростатического поля. Форма этих линий определяет характер траекторий электронов.

Представим, что в промежутке между электродами поле постоянно. На каждом конце этой области поле быстро обрывается на длине l , которая мала по сравнению с расстоянием R между электродами. На электрон, влетевший в поле, действует сила, где F=F₁+F₂,где F₁ — продольная составляющая силы F(ускоряющая сила), а F₂ – поперечная составляющая (фокусирующая сила). Поперечная составляющая отклоняет электрон в сторону оси цилиндров, изменяя радиальную составляющую скорости v(r). Далее он движется в практически однородном поле, которое ускоряет электрон от осевой скорости v(t₁) до v(t₂), но не меняет его радиальную составляющую скорости. Наконец, электрон отклоняется радиально наружу, и его скорость изменяется в радиальном направлении. Как видно из рисунка 3, в пространстве между модулятором и анодом на оси ЭОС образуется область скрещения электронного луча (область наименьшего сечения луча).

Очевидно, первая линза создает не сфокусированный, а расходящийся электронный пучок и применяется только для начального формирования электронного пучка. Окончательную фокусировку луча осуществляет вторая, фокусирующая электростатическая линза, представляющая собой совокупность нескольких соосных полых цилиндров и диафрагм, находящихся под разным напряжением. Вообще, для того, чтобы обеспечить фокусировку луча достаточно за первым анодом установить еще один анод с более высоким потенциалом. Однако, оказывается, что в такой системе, состоящей из катода, модулятора и двух анодов, изменение напряжения на первом (фокусирующем) аноде меняет значение тока луча, т.к. меняет потенциал на оси ЭОС у катодов. В результате фокусировка влияет на яркость, что недопустимо.

Поэтому в ЭОС современных осциллографов между модулятором и фокусирующим электродом вводится дополнительный «ускоряющий» электрод (вторая сетка), который обычно соединен со вторым анодом и находится под его напряжением.

Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно анода и сжимает выходящий из катода электронный пучок. Изменяя этот потенциал, можно изменять число электронов, проходящих через диафрагмы первого анода, а, следовательно, регулировать интенсивность пятна на экране.

Потенциал первого анода положителен относительно катода, а потенциал второго катода положителен относительно первого анода. Регулируя потенциалы анодов, можно изменять сходимость электронного пучка и добиться наилучшей фокусировки пятна на экране. Потенциал второго анода относительно катода определяет также конечную скорость электронов в пучке.

Для дальнейшего улучшения фокусировки в большинстве типов ЭЛТ в ускоряющем электроде и первом аноде устанавливается одна или несколько диафрагм с малыми диаметрами отверстий на оси ЭОС. Эти диафрагмы не пропускают к экрану случайные электроны, летящие далеко от оси ЭОС или под большими углами к ней.

В процессе работы экран трубки бомбардируется потоком электронов, летящих от катода (первичные электроны). При попадании на экран, покрытый люминофором, они вызывают его свечение. При этом первичные электроны, обладающие достаточно большой энергией, выбивают электроны из вещества люминофора – так называемые вторичные электроны. Само же явление носит название вторичной электронной эмиссии. Очевидно, число поступающих на экран электронов должно равняться числу отводимых от него электронов, в противном случае экран постепенно будет заряжаться отрицательно.

Для «улавливания» вторичных электронов внутреннюю поверхность колбы ЭЛТ от экрана до второго анода покрывают аквадагом, находящимся под напряжением второго анода и обладающим хорошей электропроводностью.

Измельченное графитовое покрытие (аквадаг) служит нескольким целям:

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы : 1. Ознакомление с принципом действия осциллографа. 2. Определение чувствительности отклоняющих пластин электронно-лучевой трубки осциллографа.

Приборы и принадлежности : электронный осциллограф, вольтметр, регулируемый источник напряжения.

Принципиальное устройство
электронного осциллографа

Перед выполнением работы необходимо уяснить принцип действия и назначение электронного осциллографа. Например, с помощью осциллографа можно измерять силу тока, напряжение и их изменение во времени, сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т.д.

Достоинствами электронно-лучевого осциллографа являются его высокая чувствительность и безынерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длительность которых порядка 10 -8 –10 -9 с.

Для ознакомления с работой осциллографа разберем назначение отдельных его частей.

Электронно-лучевая трубка. Важнейшим элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис. 1), которая внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы, откаченную до высокого разрежения, с расположенной внутри системой электродов.

На рис. 1 схематически представлено устройство трубки с электростатическим управлением. В торце узкой части стеклянного баллона 8 расположен катод в виде небольшого цилиндра 2, внутри которого помещена спираль для подогрева 1. Дно цилиндра с внешней стороны покрыто оксидным слоем; с его поверхности при подогреве вылетают электроны. Вблизи катода расположен полый цилиндр 3, называемый управляющим электродом или модулятором, который служит для изменения плотности потока электронов, т.е. позволяет регулировать яркость пятна на экране, 9, покрытом люминофором. Модулятор имеет отрицательный потенциал относительного катода.

Рис. 1

Далее по оси трубки располагаются еще два цилиндра – первый 4 и второй 5 аноды. Первый анод, находясь под положительным потенциалом в несколько сотен вольт, ускоряет движущийся от катода поток электронов. Ко второму аноду подводится напряжение, достигающее в некоторых электронно-лучевых приборах десятков киловольт, и поток электронов выходит из второго анода с высокой скоростью. Аноды предназначены как для ускорения электронов, так и для формирования электронного луча – узкого, сходящегося у поверхности экрана пучка электронов. Изменением величины напряжения на первом аноде 4 получают необходимую фокусировку луча. Вся система вышеперечисленных электродов крепится на траверсах и образует единое устройство, называемое электронным прожектором.

Выйдя из прожектора, электронный поток (луч) попадает в отклоняющую систему, служащую для управления положением электронного луча в пространстве. В рассматриваемой нами трубке отклоняющая система состоит из двух пар пластин 6 и 7, расположенных попарно в вертикальной (горизонтально отклоняющие пластины 7) и горизонтальной (вертикально отклоняющие пластины 6) плоскостях. Каждая пара пластин образует плоский конденсатор, и если потенциалы пластин различны, то между ними создается электрическое поле. Между пластинами электроны движутся в поперечном электрическом поле по параболической траектории, и по выходе из пластин траектория оказывается направленной по отношению к оси трубки под некоторым углом, величина которого зависит от разности потенциалов на пластинах и от размеров пластин. Следовательно, с помощью этих двух пар пластин, создающих взаимно перпендикулярные электрические поля, можно управлять электронным потоком в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Пусть на горизонтально отклоняющие пластины 7 подано напряжение U_х, а на вертикально отклоняющие пластины — U_у, тогда под действием приложенного напряжения U_х след электронного потока смещается на величину Х в горизонтальном направлении, а под действием U_у – на величину Y в вертикальном направлении.

Отклонение Y электронного луча в вертикальном направлении можно рассмотреть на примере отклонения одного электрона (рис. 2).

Пусть на горизонтальные пластины поданы потенциалы, как показано на рис. 2. Тогда однородное электрическое поле внутри пластин направлено снизу вверх (см. рис. 2). Пусть в это электрическое поле влетает электрон с начальной скоростью ₀ ( ₀ – это скорость электрона, полученная в результате действия анодного напряжения U₀). На него со стороны электрического поля действует электрическая сила, равная

где е – заряд электрона; Е – напряженность электрического поля между пластинами, которая определяется так:

где U_у – разность потенциалов, приложенных к пластинам;
d – расстояние между пластинами.

Рис. 2

Тогда с учетом (2) и (1) получим

Поскольку на электрон действует только электрическая сила F (силу тяжести не учитываем, т.к. она пренебрежимо мала), то, используя второй закон Ньютона

можно найти ускорение электрона в вертикальном направлении Y, т.е.

Так как электрон движется вдоль оси Х параллельно пластинам и одновременно на него действует сила F , в вертикальном направлении (ось Y), то траектория электрона имеет форму параболы (на рис. 2 пунктирная кривая). Отклонение электрона от прямолинейной траектории в направлении оси Y можно найти исходя из равноускоренного движения электрона вдоль оси Y (на рис. 2 указано Y₁), т.е.

Время t отклонения электрона равно времени прохождения электрона вдоль пластин, т.е.

где – длина пластин.

С учетом (6) и (4) уравнение (5) можно представить в виде

Приближенно формула (7) справедлива и для электронного луча. Из нее видно, что отклонение Y при , , зависит только от разности потенциалов , приложенных между пластинами. Соотношение

называется чувствительностью. Такое же выражение, используя формулы (1-6), можно получить для вертикальных пластин. Для них отклонение траектории электрона будет происходить вдоль оси Х, тогда по аналогии с формулой (8)

где – разность потенциалов между вертикальными пластинами. В дальнейшем разность потенциалов между пластинами будем считать равной напряжению.

называются чувствительностями к напряжению соответственно в направлениях осей Х и Y. Чувствительность трубки по напряжению, при заданном напряжении 2-го анода, представляет собой величину отклонения электронного луча на экране (в мм), получающегося при изменении напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам, на 1 вольт.

При постоянном анодном напряжении величины и для данной электронно-лучевой трубки постоянны.

Пройдя отклоняющую систему, электронный луч движется в расширенной части баллона, и электроны в конце пути попадают на экран 9 трубки. Эта часть баллона с внутренней стороны покрыта люминофором – веществом, способным светиться под воздействием бомбардирующих его электронов. При попадании электронного луча на экран люминофор возбуждается и на экране трубки появляется небольшое светящееся пятно, видимое снаружи через стекло баллона.

Если напряжения на отклоняющих пластинах изменяются, то электронный луч, а следовательно, и светящееся пятно на экране перемещаются, описывая траекторию в соответствии с законом изменения напряжения на отклоняющих пластинах. Таким образом, закон изменения напряжения на отклоняющих пластинах может визуально наблюдаться на экране электронно-лучевой трубки.

Генератор развертки. Генератор развертки представляет собой электронное устройство, позволяющее получить напряжение развертки. Если исследуемое напряжение имеет периодический характер то для наблюдения на экране формы кривой его подводят к пластинам Y, а на пластины Х подают периодическое напряжение развертки , изменяющееся по какому-либо временному, желательно простому закону, где
Т – период развертки. Обычно напряжение развертки, используемое в осциллографах, изменяется со временем либо по линейному, либо по синусоидальному закону. На рис. 3 в качестве примера линейного развертывающего напряжения изображено так называемое пилообразное напряжение.

Пилообразным оно называется потому, что форма его кривой напоминает зубцы пилы. Это напряжение характеризуется тем, что его увеличение прямо пропорционально времени, и рост напряжения происходит в течение времени t ₁ .

Рис. 3

При линейном увеличении напряжения электронный луч с экрана осциллографа уходит из исходного положения медленно. Спад напряжения от наибольшего его значения до исходной величины происходит в течение времени t ₂ . Так как t ₂ « t ₁ , то спад напряжения происходит практически мгновенно. Следовательно, электронный луч также мгновенно возвращается в исходное положение. Период развертки равен Т = t ₁ + t ₂ .

Если периоды исследуемого напряжения и напряжения развертки кратны друг другу, то на экране мы получим неподвижное изображение. В противном случае изображение на экране осциллографа будет передвигаться.

На рис. 4 приведена блок-схема осциллографа, основными узлами которого являются электронно-лучевая трубка, усилители напряжения U _х , U _у , генератор пилообразного напряжения, блок питания. Исследуемое напряжение U _у подается непосредственно через усилитель на вертикально отклоняющие пластины. На вторую пару пластин подается напряжение от какого-либо постороннего источника или пилообразное напряжение от генератора развертки.

Регулировка яркости и фокусировки луча, а также его начальное смещение по вертикали и горизонтали осуществляются с помощью переменных сопротивлений R ₁ , R ₂ , R ₃ , R ₄ .

На лицевой панели осциллографа расположены все органы управления с соответствующими надписями.

Рис. 4

Ход работы

Упражнение 1. Определение чувствительности отклоняющих пластин трубки осциллографа.

1. Установить переключатели Х и Y (рис. 5) в верхнее положение.

Рис. 5

2. Включить генератор развертки, устанавливая рукоятку «диапазон частот» в положение «выкл». Включить осциллограф и вывести световое пятно в центр координатной сетки с помощью рукояток: «ось Y » — вверх-вниз, «ось Х» — влево-вправо.

3. Подключить к клеммам X источник напряжения и вольтметр в соответствии с рис. 5 и подать последовательно напряжение U_x = 15 В, 20 В, 25 В, 30 В. Для каждого значения измерить по координатной сетке длину горизонтальной световой линии в мм. То же самое повторить, подключая источник напряжения к клеммам Y.

4. Вычислить чувствительность горизонтальных отклоняющих пластин по формуле

5. Аналогично определить чувствительность вертикально отклоняющих пластин:

где U_y – напряжение на пластинах «Y», определяемое по вольтметру при постоянном токе; – длина вертикальной линии на экране, мм.

6. Результаты измерения занести в таблицы.

В случае работы с источником переменного напряжения:

где и – эффективные напряжения, измеряемые вольтметром переменного тока.

Напряжение,
поданное
на пластины

Ламповый дисплей для компьютера. Часть 1 — обзор концепций и постановка задачи

Всем привет! Мне с большим трудом удалось побороть лень и начать писать новый цикл статей, но на этот раз не о лазерах. Дело в том, что лазеры – не единственный мой интерес, значительное место в списке интересов у меня занимает ламповая техника в её разнообразных проявлениях, и совершенно особый фетиш – советская ламповая радиолокационная аппаратура. Мне давно хотелось отвлечься от лазеров и создать что-то такое, что, как бы это ни звучало банально, не имеет аналогов. Потому вспомнил одну старую идею, очень долго лежавшую в «долгом ящике». И речь в статье пойдет о нестандартных устройствах отображения визуальной информации.

Как известно, с определенного момента времени, ни один компьютер не обходится без дисплея, через который происходит 90% взаимодействия с пользователем. В ходе истории развития компьютерной техники дисплеи неоднократно видоизменялись, но в итоге все свелось к нескольким общеизвестным стандартам дисплейных интрфейсов. Сами же дисплеи на текущий момент представлены одной доминирующей технологией, основанной на жидких кристаллах, хотя ещё 10 лет назад были распространены дисплеи на ЭЛТ. Надо отметить, что в этой области теперь нет абсолютно никакого разнообразия. Но для человека, увлекающегося электроникой, открывается определенный простор для творчества, который я предлагаю рассмотреть в данной статье. Начну, пожалуй, с того, что много лет назад в англоязычном сегменте интернета мне попалась статья о том, что можно сделать несложный преобразователь, который позволит подключить к компьютеру обыкновенный осциллограф и использовать его как дисплей. Первой моей реакцией стало: «А что, так можно разве?» Статья элементарно находится по запросу в гугле “VGA to scope converter” и находится здесь: www.electronixandmore.com/projects/vgatoscope/index.html
Идея схемы состоит в том, что из ВГА сигнала выделяются синхроимпульсы, которые запускают генераторы развертки на 555х таймерах, сигналы из которых подаются на входы Х и У осциллографа и создают на его экране растр, а компонетные сигналы видео RGB объединяются в монохромный сигнал сумматором на резисторах, усиливаются операционным усилителем и подаются на вход Z осциллографа, который управляет яркостью. Таким образом, получается классическая растровая картинка, как на обычном ЭЛТ мониторе. Схема достаточно проста, не содержит дефицитных деталей, не требует навыков программирования (так как в составе схемы нет контроллеров) и приводится ниже.

Несмотря на то, что данная схема подкупает своей простотой, она имеет существенные недостатки. Во-первых, результат сильно зависит от качества примененного осциллографа. Осциллографы с большим размером экрана и тонкой фокусировкой электронного пучка достаточно редки и дороги. Даже применяя хороший широкополосный осциллограф, качества картинки ожидать не приходится – его ЭЛТ просто не предназначена для отображения графической информации с обилием мелких деталей, и не обладает достаточной разрешающей способностью. Что и можно увидеть на картинках ниже.

Во-вторых, в схеме конвертера применяется максимально примитивный видеоусилитель, который не имеет достаточной полосы пропускания. От этого качество изображения страдает ещё сильнее. Из этого можно сделать вывод, что как proof of concept это устройство годится, но регулярно им пользоваться невозможно.
Когда я впервые увидел эту статью, я ещё не знал о недостатках описанного устройства, да и хорошего осциллографа у меня не было, а был в распоряжении только очень древний С1-1 построенный на октальных лампах, и слабо годившийся для этой цели. Идея повторить это устройство была отложена в «очень долгий ящик».
С течением времени накапливался и мой опыт, а заодно и запасы элементной базы. Окончательно сформировался интерес к ламповой технике и полное отторжение современной электроники в моем творчестве. Периодически я подглядывал за творчеством других энтузиастов, которых интересовало создание необычного дисплейного устройства. В большинстве случаев все сводилось опять же к выводу изображения на экран осциллографа. Для примера можно посмотреть статьи здесь же, на Хабре. Например, раз: habr.com/ru/articles/221591
В этой статье показан пример векторного рисования на экране осциллографа, что дает достаточно неплохой результат. Но для реализации этого способа обычно применяют контроллер, требующий программирования. Дальше вариант номер два, предлагающий растровый метод рисования изображения на экране осциллографа. И на этот раз тоже — по непонятным причинам автор решил применить контроллер — несмотря на то, что он на самом деле не нужен. (см. схему выше). habr.com/ru/articles/394531 Как написано в статье, возможности устройства ограничиваются отображением 7 букв или цифр на экране. Для чего может пригодиться такая концепция кроме абсолютно надоевших «часов на электронно-лучевой трубке» — непонятно. Единственное, что выделяет эту схему – отсутствие необходимости во входе Х у осциллографа. Но это очень сильно ограничивает возможности. Стоит обратить внимание и на вариант номер три: В статье по ссылке habr.com/ru/articles/375117 описывается очень оригинальный способ векторного рисования на экране осциллографа, не требующий ни аналогового конвертера, ни цифрового. Функцию конвертера выполняет звуковая карта компьютера, осциллограф подключается к ней напрямую. Для генерирования изображения используется программная обработка видеопотока. Статья ссылается на оригинальный ресурс тут: www.lofibucket.com/articles/oscilloscope_quake.html
Ну и нельзя не упомянуть незабвенный векторный мультик на осцллографе. habr.com/ru/articles/173833 Графика оного на экране сделана тоже с помощью контроллера.
Подытоживая вышесказанное, заключим, что реализация дисплейных устройств на основе осциллографа однотипна — — собственно осциллограф и контроллер, мощность которого зачастую превышает мощность ранних ПК на 286, 386 и даже 486 процессорах (тактовая частота ардуино дью составляет 84МГц).

Пусть в меня сейчас бросают камни и тапки, но такой чисто программистский подход к решению задачи – это явная деградация технического творчества. Какое творчество может быть в покупке готовой платы в китае и подключении её к осциллографу? Ответ, похоже, очевиден.
Какие ещё могут быть способы реализации необычного дисплейного устройства? Например, дисплей можно построить на основе плазменной панели ГИП10000, которая применялась в ряде промышленных устройств, например советском цифровом осциллографе С9-9 или машинке для счета банкнот. ГИП10000 объединялась с пакетом плат управления для встраивания в промышленные устройства и выпускалась под названием «Индикатор ИМГ1-03». Такой индикатор тоже можно применить в качестве дисплея, а для этого его надо как-то подружить с компьютером, что описано в этой статье. habr.com/ru/articles/588588 Редкий случай действительно интересного проекта с очень обстоятельной проработкой. Тем не менее, это устройство тоже можно отнести скорее к разряду демонстрационных.

Можно ли создать необычный дисплей для компьютера, и при этом создать его так, чтобы повседневно им пользоваться? Ответ на этот вопрос – да, можно. Можно ли это сделать так, как никто никогда ещё не делал? Да, можно. Если построить его на радиолампах без микросхем, и, тем более, контроллеров. Так и обозначилась постановка задачи – создать полностью ламповый дисплей для компьютера. На первый взгляд она может показаться абсурдной (адепты контроллеров и программирования зачастую не могут выйти за рамки своего мировосприятия, как показано в примерах выше), но только на первый взгляд. Для того, чтобы получился дисплей, пригодный для повседневной работы, нужна большая площадь экрана. И для этого идеальным образом подходит электронно-лучевая трубка от индикатора кругового обзора радиолокатора. Такие ЭЛТ выделяются в отдельный класс и называются индикаторными. От осциллографических они отличаются способом отклонения и фокусировки электронного пучка – магнитным вместо электростатического. В отличие от электростатического, магнитное отклонение более тормознутое (сердечник отклоняющей системы не успевает перемагничиватсья слишком быстро), но при этом позволяет отклонить электронный пучок на больший угол, а значит — обеспечить большую площадь изображения при умеренной габаритной длине ЭЛТ, а магнитная фокусировка дает возможность сфокусировать пучок гораздо более тонко. Эти особенности трубок с магнитным отклонением и фокусировкой обусловили их длительное господство в телевизионной и дисплейной технике. Помимо классических индикаторных ЭЛТ, в радиолокационной технике, и, особенно, в системах управления воздушным движением, применялись особые электронно-лучевые трубки – характроны. Ламповая техника не позволяла строить векторные или растровые знакогенераторы, потому задачу отображения символьной информации решили в лоб – внутри ЭЛТ разместили трафарет с отверстиями в виде разных символов и значков, которые требуется отображать на экране. Проходящий электронный пучок через трафарет принимал форму требуемого символа и затем попадал на люминофор. Выбор нужного символа осуществлялся путем смещения пучка по трафарету с помощью обычной электростатической отклоняющей системы. Таким образом, вместо сложного алгоритма управления пучком для отрисовки контура символов использовалось простейшее изменение напряжения на отклоняющих пластинах по линейному закону. На рисунке ниже представлено схематическое устройство электронно-оптической системы характрона.
Пучок электронов, выпущенный электронной пушкой ЭП, проходит систему отклоняющих пластин, называемых «выбирающими» (ОСВЗ), которые его направляют на нужное отверстие в трафарете-матрице М. Далее, пучок фокусируется магнитным полем фокусирующей катушки ФК. После этого пучок нужно заново сцентрировать по оси трубки, для этого он проходит вторую систему отклоняющих пластин, которая называется «компенсирующей» (КОС). Для установки сформированного символа в нужном месте на экране используется третья отклоняющая система АОС, которая может быть или электростатической или электромагнитной. В характронах чаще использовалось электростатическое отклонение, но применялось и магнитное. Фокусировка чаще применялась магнитная.

Поскольку в характронах используется 3 последовательно расположенных отклоняющие системы, то итоговые габариты ЭЛТ получаются воистину монструозными. На фото показан имеющийся у меня характрон от авиадиспетчерского пульта с диаметром экрана 51см. Габаритная длина трубки превышает 1м, а масса 25 кг. Для масштаба рядом лежит весьма немаленькая генераторная лампа – ГУ10А

На этом фото показана символьная матрица этой трубки, по символам можно однозначно понять, где она применялась.

Построить на такой ЭЛТ дисплей было бы интересно, но на выходе получились бы слишком уж конские габариты. Очень похожие трубки применялись в дисплеях американского лампового компьютера AN\FSQ7, который обрабатывал радиолокационную информацию с многочисленных РЛС и управлял системой противоракетной обороны SAGE. Система была настолько сложной, что очень долго отлаживалась, попав, по сути, в «производственный ад» и фактически успела устареть к моменту постановки на вооружение. Дисплей у этой системы был действительно монументальным устройством.

Для доступа к ЭЛТ и электронике лицевая часть поднималась вверх на петлях, а сама ЭЛТ выдвигалась вперед. Похожий конструктив применяется сейчас у банкоматов.

Так что, хотя характрон очень интересная ЭЛТ, применить её в жизни крайне проблематично. Посему я решил остановить свой выбор на обычной индикаторной ЭЛТ 45ЛМ2У. При диаметре экрана в 45см её габаритная длина втрое меньше, чем у характрона и не превышает размер обыкновенного кинескопа тех же времен. Эта ЭЛТ имеет очень хорошие параметры – она позиционируется как ЭЛТ высокой чёткости с заявленным разрешением в 1500 линий в центре экрана. Фокусировка и отклонение луча – магнитные. Угол отклонения 70 градусов, а экран зелёного цвета свечения с коротким послесвечением. Для растрового дисплея лучше не придумать.

Таким образом, основа для будущего лампового дисплея выбрана и дальше предстояло создать электронику для его работы, что и превратилось в увлекательный проект. Ведь стояла задача реализовать это без единого полупроводникового элемента – да, полупроводниковые диоды также исключались! Только лампы, только хардкор! И разбор этой задачи я начал с понимания того, что есть VGA интерфейс, по которому планировалось общение этого дисплея с компьютером. VGA это простой аналоговый интерфейс, у которого есть 3 линии компонентного видеосигнала — по отдельным проводам идут сигналы, красного, зеленого и синего цветов и есть отдельно 2 линии синхроимпульсов — по одному проводу идут импульсы запуска строчной развертки, по другому — импульсы запуска кадровой развертки.

Поскольку ЭЛТ монохромная, то отдельные цветовые видеосигналы нужно собрать в один суммарный яркостный видеосигнал; проще всего это сделать смесителем на резисторах из «оригинальной статьи» (https://www.electronixandmore.com/projects/vgatoscope/index.html) Затем этот яркостный видеосигнал нужно увеличить до амплитуды, достаточной для модуляции луча в ЭЛТ, для чего понадобится видеоусилитель. На первый взгляд, если вникнуть в спецификацию VGA, видеоусилитель должен обладать нетривиально широкой полосой — порядка 80 МГц для видеорежима 1024*768 при частоте обновления 75 Гц. Для того, чтобы был запас, полоса желательна в 100МГц. Однако, в случае смешения RGB в яркостный сигнал, полосу можно уменьшить в три раза, а значит — достаточно 30 МГц.
В зависимости от выбранного видеорежима, видеокарта может выдавать импульсы запуска разверток различной полярности, при этом оба сигнала могут быть как одинаковой, так и противоположных полярностей. Готовый дисплей должен поддерживать смену видеорежимов без перенастройки, что означает, что задающие генераторы разверток должны запускаться одинаково при любой полярности синхроимпульса. Возможность перехода между видеорежимами налагает несколько специфических требований — выходные каскады разверток должны работать на разных частотах; генераторы разверток должны обладать хорошей амплитудной и фазовой стабильностью; применять выходной каскад строчной развертки для генерирования высокого напряжения присоски ЭЛТ не следует, так как с изменением частоты развертки напряжение будет изменяться в широких пределах. Соответственно, генератор высокого напряжения должен быть отдельным узлом, желательно со стабилизацией, чтобы напряжение в присоске не изменялось в зависимости от тока луча.

В результате обрисовывается минимальный набор структурных блоков: узел преобразования синхросигналов в пилообразные импульсы разверток, выходные каскады разверток, видеоусилитель, стабилизированный блок высокого напряжения присоски, блок питания накальных/ анодных цепей и смещения. Поскольку от качества питания напрямую зависит работа всех остальных узлов, то обязательно нужна стабилизация всех напряжений, а для питания катушки магнитной фокусировки — стабилизация тока. Распутывать этот клубок задач я решил с запуска самой ЭЛТ – с того, чтобы создать необходимые для неё источники питания. Это был непростой путь, приведший к созданию работающего макета. Вот что получилось в результате. О том КАК это получилось — напишу в следующей части. Не переключайтесь!

PS: если есть желание, любой читатель может оказать помощь в виде доната криптовалютой на любой из этих кошельков:
BTC: 3BV9B2Jsy8CY86YHpsBgrXsQe3N2db8yF8

ETH: 0x193c70a3826c63eb3738a9d3c982c02ba3a07c84 (QR прилагается)

doge: DLLNGqSeyXo786jiurzMAnj8USwaU5u9xY (QR тоже есть)

Я пробовал подключить сервис destream для того чтобы тут появилась кнопка «задонатить», но узнал что для этого требуется разглашение личных данных, что для меня неприемлемо. Поэтому только криптовалюта.

Металлоискатель своими руками

В этой статье будет рассмотрена схема и пошаговая инструкция по изготовлению металлоискателя Volksturm S. Схема металлоискателя Volksturm S не очень сложная и если следовать рекомендациям, то вы соберёте своими руками отличный металлоискатель. Металлоискатель Volksturm S достаточно чувствительный и с его помощью можно легко обнаружить монету, на глубине 20 см, а крупные металлические предметы, на глубине до 80 см.

Индикатор разряда аккумулятора

02 Октябрь, 2021

В этой статье будет рассмотрена схема и пошаговая инструкция по изготовлению индикатора разряда аккумулятора. Схема индикатора разряда аккумулятора достаточно проста и повторить её не составит труда. Если всё собрано согласно схеме, то устройство должно заработать сразу без каких либо настроек. Индикатор разряда будет полезен для различных приборов, что бы можно было следить за состоянием аккумулятора, тем более что схема универсальная!

«Ноль» и «земля»: в чем отличие?

28 Август, 2021

В России и в странах СНГ, используется заземляющий принцип, когда нулевой проводник соединяется с заземляющим контуром. У многих людей может возникнуть «законный» вопрос: если они контактируют между собой, то для чего тянуть столько проводов – достаточно провести повсюду двойную жилу (фазу и нулевую линию) и будет возможность заземляться посредством нулевой жилы! Однако в такой постановке вопроса скрывается один технический нюанс, который превращает данное решение не только в бесполезную игрушку, но в некоторых случаях и в довольно опасную затею.

Антенна для приёма цифровых каналов DVB-T2

21 Август, 2021

В том случае, если вы проживаете в городе, то вам совсем не обязательно иметь большую и громоздкую ТВ-антенну, тем более устанавливать ее на крышу и протягивать длинный кабель. Каналы цифрового телевидения стандарта DVB-T2 можно неплохо принимать и на комнатную, так как мощности передающих вышек вполне хватает для нормального приема. Сегодня вы узнаете как сделать миниатюрную домашнюю антенну для DVB-T2 по типу «Биквадрат» за 15 минут своими руками. Ее так же называю антенной Харченко. Этот мастер-класс спасёт вас от необходимости покупки дорогих китайских аналогов.

Усилитель на микросхеме TDA2003 своими рукамивоими руками

14 Август, 2021

В этой статье вы узнаете как сделать усилитель на микросхеме TDA2003 своими руками. Достаточно простая схема усилителя на популярной микросхеме TDA2003, все детали доступны, собрать такой усилитель не составит труда, а наша пошаговая инструкция по сборке усилителя на микросхеме TDA2003 вам в этом поможет! На базе данного усилителя, можно собрать портативную колонку или сделать акустику для компьютера, в общем идей для творчества достаточно. ))

• усилитель
• усилитель мощности
• усилитель нч

Мигание дополнительного стоп сигнала на микросхеме NE555 своими руками!

07 Август, 2021

Некоторые автолюбителе устанавливают на заднее стекло дополнительный стоп сигнал, который, при нажатии на педаль тормоза, загорается вместе со штатными стопами. Вот и мне захотелось поставить такие же, что я и сделал, но мне не понравилось то, что они постоянно горят, начал я тогда искать схему мигающего стоп сигнала. Все схемы которые мне попадались, были или слишком сложные либо не рабочие.

Переделка вольтметра в термометр на LM35 или приставка для измерения температуры к недорогому мультиметру!

31 Июль, 2021

Для изготовления приставки потребуется всего две детали, это температурный датчик LM35 и подстроечный резистор 10-100 кОм.
LM35 — это прецизионный интегральный датчик температуры с широким диапазоном измерения температур, высокой точностью, калиброванным выходом по напряжению. Датчик температуры LM35 способен измеряеть температуру в пределах от -55 до +150°C с коэффициентом 10 мВ/°C, питается напряжением 4–30 В, потребление тока менее 60 мкА. Этот датчик так-же используется в бортовом компьютере автомобиля «Мультитроникс» для измерения температур.

Схема защита для аккумулятора от разряда

24 Июль, 2021

Сегодня вы узнаете как сделать простое устройство защиты аккумуляторов от разряда, оно способно работать на больших токах и его можно применить для самоделок с использованием аккумуляторов или установить её в автомобиль и оно будет отключать фары, если вы вдруг забыли их выключить.

5 интересных схем для начинающих радиолюбителей

17 Июль, 2021

Доброго времени суток! Если вы только познаете увлекательный мир радиоэлектроники, то советую обратить внимание на эту подборку из пяти схем для начинающего радиолюбителя! Схемы не сложные, поэтому собрать их не составит особого труда, в конце поста есть видео, в котором подробно рассказывается о каждой схеме, для чего нужна, принцип работы, а так же другая полезная информация. Надеюсь вам понравится!

Рация на трёх транзисторах: схема и конструкция

10 Июль, 2021

Это схема коротковолновой радиостанции содержит в своем составе всего три транзистора. Самая простая рация для повторения начинающими радиолюбителями. Конструкция была взятая из старенького журнала, но актуальности своей ни капли не потеряла. Единственное, что устарело, так это радио компоненты, которые необходимо заменить на современные аналоги, в результате характеристики радиопереговорного устройства улучшатся.

Простая схема миллиомметра

03 Июль, 2021

Занимаясь недавно отладкой своей схемы, я обнаружил короткое замыкание слоя питания на землю. Миллиомметра или тестера с эквивалентными возможностями для поиска коротких замыканий у меня не было. Поэтому я вошел в Интернет, чтобы найти описание простого миллиомметра. Я нашел ответ в технической документации производителя, в который излагались основы

Маломощный генератор прямоугольных импульсов

27 Июнь, 2021

Во многих аудио, автомобильных и измерительных приложениях требуются недорогие, но высокостабильные и точные генераторы прямоугольных импульсов, способные отдавать в нагрузку достаточный ток. Интерес к дешевым способам реализации высококачественных приложений имеется всегда. Изображенная на Рисунке 1 схема состоит из бюджетного сдвоенного операционного усилителя (ОУ) с дополнительной функцией отключения и нескольких пассивных компонентов.

• генератор
• генератор импульсов
• импульсы прямоугольной формы

Тестер для проверки блокировочных конденсаторов

19 Июнь, 2021

Блокировочные конденсаторы применяются в большинстве схем, но при плохих импульсных характеристиках эффект их использования может совсем не соответствовать ожидаемому. Очень немного статей, если таковые вообще существуют, затрагивают тему измерения импульсных характеристик блокировочных конденсаторов. На Рисунке 1 показана схема, предназначенная для таких измерений. Она в течение примерно 1 мс заряжает проверяемый

• тестер
• проверка конденсаторов
• тестер конденсаторов
• конденсатор

Схема, объединяющая функции смесителя и усилителя

12 Июнь, 2021

Во многих приложениях последовательность цепей преобразователя частоты состоит из буфера, желательно с некоторым дополнительным усилением по напряжению, смесителя, и элементов фильтрации. Вместо использования усилителя перед входом смесителя вы можете просто объединить функции смесителя и усилителя в одном приборе. В предлагаемой недорогой схеме используется усилитель, имеющий вход запрета. Когда прямоугольные импульсы гетеродина управляют выводом запрета, эти импульсы перемножается с входным сигналом, в результате чего происходит преобразование частоты.